ДНК-полімераза II

ДНК-полімераза II (англ. DNA polymerase II, DNA Pol II або Pol II) - це прокаріотична ДНК-залежна ДНК-полімераза, що кодується геном PolB.[1]

Структура ДНК-полімерази II

ДНК-полімераза II - це білок із молекулярною масою у 89,9 кДа, що відноситься до родини В ДНК-полімераз. Вперше фермент був виділений Томасом Корнбергом у 1970 році, та описаний ним же протягом наступних кількох років.[2][3][4] Питання функціональної активності полімерази в умовах in vivo досі обговорюється, однак вважається, що ДНК-полімераза II відіграє роль резервного ферменту у процесі прокаріотичної реплікації ДНК. Фермент має як здатність до 5′→3′ елонгації, так і 3′→5′ екзонуклеазну активність.[1]

Відкриття

[ред. | ред. код]

ДНК-полімераза I була першою ДНК-залежною ДНК-полімеразою, виділеною з E.coli.[5] Кілька досліджень, що були проведені із використанням цього виділеного ферменту, показали, що ДНК-полімераза I бере участь у процесії репарації, і не є основною реплікативною полімеразою.[6] Щоб краще зрозуміти роль ДНК-полімерази I in vivo, у 1969 році вченими Де Люсія та Кернстом було створено мутанти E. coli з нестачею цього ферменту.[7] Цей мутантний штам був більш чутливим до дії ультрафіолетового світла. Саме це підтвердило гіпотезу, що роль ДНК-полімерази I полягає саме у репарації, а не реплікації. Мутантний штам мав здатність до росту з тією ж швидкістю, що й штами дикого типу, що вказувало на наявність іншого ферменту, відповідального за реплікацію ДНК. Виділення та опис цієї нової полімерази, що бере участь у напів консервативній реплікації ДНК, були проведені кількома лабораторіями паралельно.[2][3][4] Новий фермент був названий ДНК-полімеразою II, і деякий час вважалося, що він є основним ферментом реплікації E.coli.[8]

Структура

[ред. | ред. код]
Структура "руки" родини В полімераз (PDB: 3NCI​)

ДНК-полімераза II - це білок із молекулярною масою у 89,9 кДа, що складається із 783 амінокислот, і кодується геном PolB (dinA). ДНК-полімераза II є глобулярним білком, що функціонує як мономер, тоді як інші полімерази утворюють комплекси. Існує три основні частини цього мономеру, які разом інколи називають "рукою": долоня (palm), пальці (fingers) та великий палець (thumb). Полімеразний активний центр розташований у межах долоні - щілини, яка оточена двома характерними структурними доменами: рухливими пальцями (fingers) і великим пальцем (thumb). Великий палець взаємодіє з маленьким жолобком подвійної спіралі, утвореної матричним ланцюгом і таким, що синтезується. Пальці взаємодіють із матричним ланцюгом, який при цьому трохи вигинається навкруг пальців, експонуючи чергову азотисту основу для взаємодії з NTP. Сайт зв'язування NTP утворюється пальцями, залишками активного центру, нуклеотидом матричного ланцюга та 3'-кінцем ланцюга, що синтезується.[9] На долоні комплексу є три каталітичні центри, які будуть координуватися з двома іонами двовалентного металу, щоб функціонувати. ДНК-полімераза II має велику кількість копій у клітині - близько 30-50, тоді як рівень ДНК-полімерази III в клітині в п’ять разів менший.

Функції

[ред. | ред. код]

Всі полімерази певним чином беруть участь у реплікації ДНК, синтезуючи ланцюги нуклеїнових кислот. Реплікація ДНК є важливим аспектом проліферації клітини. Без процесу реплікації клітина не може ділитися і передавати свою генетичну інформацію наступним поколінням. У прокаріотів, таких як E.coli, ДНК-полімераза III є основною полімеразою, яка бере участь у реплікації ДНК. Хоча ДНК-полімераза II не є основним фактором реплікації хромосом, вона виконує інші функції.

ДНК-полімераза II бере участь у реплікації ДНК. Не зважаючи на те, що ця полімераза не є такою швидкою, ДНК-полімераза III, вона має певні особливості. Цей фермент має асоційовану 3′→5′ екзонуклеазну активність поряд з активністю праймази. ДНК-полімераза II є високоточним ферментом з частотою помилок заміни ≤ 2×10 −6 і частотою помилок зсуву рамки зчитування ≤ 1×10 −6. ДНК-полімераза II може виправляти невідповідності, спричинені неточною роботою полімерази III. Також було показано, що ДНК-полімераза II бере участь у реплікації, однак вона залежить від типу ланцюга і переважно реплікує ланцюг, що відстає. На думку вчених, коли ДНК-полімераза III стає нефункціональною, тоді ДНК-полімераза II може бути залучена до точки реплікації і продовжує процес.[1]

Існує багато різних способів пошкодження ДНК, включаючи дію ультрафіолету та окислення, тому цілком логічно, що існують різні типи полімераз для усунення цих пошкоджень. Однією з важливих ролей ДНК-полімерази II є її здатність до відновлення міжланцюгових перехресних зшивок. Міжланцюгові перехресні зшивки виникають внаслідок дії на ДНК різних хімічних речовин, наприклад азотного іприту[en] і псоралену. Усунути ці пошкодження важко, оскільки обидва ланцюги ДНК пошкоджені хімічним чинником, і генетична інформація на обох ланцюгах є ураженою. Точний механізм виправлення цих міжланцюгових перехресних зшивок все ще досліджується, але відомо, що полімераза II є основним ферментом у цьому процесі.[10]

ДНК-полімераза II досі не вивчена добре, тому існує багато можливих функцій цього ферменту, які потребують підтвердження [1]. Зокрема:

  • відновлення ДНК після дії ультрафіолетового світла
  • перезапуск процесу реплікації у E.coli після дії ультрафіолетового світла
  • адаптивний мутагенез
  • довгострокове виживання

Механізм дії

[ред. | ред. код]
Активний центр ДНК-полімерази II (PDB ID: 3K5M)

Під час реплікації ДНК основи можуть пошкоджуватись, що може призвести до зупинки реплікації. Щоб виправити помилку в послідовності, ДНК-полімераза II каталізує відновлення нуклеотидних пар основ. Дослідження in vitro показали, що полімераза II інколи взаємодіє з полімеразою III, щоб отримати доступ до ланцюга, що синтезується.[1][11][12] ДНК-полімераза II є також активною під час реплікації ДНК, оскільки будь-які помилки, що виникають внаслідок роботи полімерази III, будуть у ланцюзі, що синтезується, а не в консервативному. N-кінцевий домен ДНК-полімерази II відповідає за асоціацію та дисоціацію ланцюга ДНК з каталітичною субодиницею. Швидше за все, в N-кінцевому домені ДНК-полімерази II є дві ділянки, які розпізнають одноланцюгову ДНК. Один сайт відповідає за приєднання одноланцюгової ДНК до ДНК-полімерази II, а інший сайт - за від'єднання.[13]

Активний центр ДНК-полімерази II

Після приєднання субстрату, ДНК-полімераза II зв’язує NTP для підтримки водневих зв'язків у структурі ДНК. Потім зв’язується правильний, непошкоджений нуклеотид (dNTP), і ферментний комплекс зазнає конформаційних змін субдоменів та амінокислотних залишків. Ці конформаційні зміни дозволяють прискорити процес репарації.[14] Активний центр ферменту містить два іони Mg2+ , які стабілізуються каталітичними аспарагіновими кислотами D419 і D547.[15]  Іони магнію зв’язуються з ДНК разом з dNTP у відкритому стані та координують конформаційні зміни амінокислотних залишків активного центру для того, щоб відбувався каталіз (закритий стан). Після вивільнення іонів магнію фермент повертається у відкритий стан.[16]

Регуляція

[ред. | ред. код]

Кількість ДНК-полімерази II в клітині зазвичай у п’ять разів перевищує кількість полімерази III. Це дозволяє полімеразі II за своїми функціями випереджувати дію полімерази III у разі помилкового утворення пар основ. Кількість полімерази II може зростати при індукції SOS-реакції, яка активізує ген polB, тому кількість ферменту збільшується приблизно в сім разів. Хоча полімераза II може працювати на обох ланцюгах, було показано, що вона більше виконує свою роль на ланцюзі, що відстає.[1]

Посилання

[ред. | ред. код]
  1. ↑ а б в г д е Banach-Orlowska, Magdalena; Fijalkowska, Iwona J.; Schaaper, Roel M.; Jonczyk, Piotr (2005). DNA polymerase II as a fidelity factor in chromosomal DNA synthesis in Escherichia coli. Molecular Microbiology (англ.). Т. 58, № 1. с. 61—70. doi:10.1111/j.1365-2958.2005.04805.x. ISSN 1365-2958. Архів оригіналу за 1 грудня 2021. Процитовано 1 грудня 2021.
  2. ↑ а б Kornberg, Thomas; Gefter, Malcolm L. (30 вересня 1970). DNA synthesis in cell-free extracts of a DNA polymerase-defective mutant. Biochemical and Biophysical Research Communications (англ.). Т. 40, № 6. с. 1348—1355. doi:10.1016/0006-291X(70)90014-8. ISSN 0006-291X. Процитовано 1 грудня 2021.
  3. ↑ а б Moses, Robb E.; Richardson, Charles C. (24 грудня 1970). A new DNA polymerase activity of Escherichia coli. I. Purification and properties of the activity present in E. coli polAl. Biochemical and Biophysical Research Communications (англ.). Т. 41, № 6. с. 1557—1564. doi:10.1016/0006-291X(70)90565-6. ISSN 0006-291X. Процитовано 1 грудня 2021.
  4. ↑ а б Knippers, Rolf (1970-12). DNA Polymerase II. Nature (англ.). Т. 228, № 5276. с. 1050—1053. doi:10.1038/2281050a0. ISSN 1476-4687. Архів оригіналу за 1 грудня 2021. Процитовано 1 грудня 2021.
  5. ↑ Lehman, I.R.; Bessman, Maurice J.; Simms, Ernest S.; Kornberg, Arthur (1958-07). Enzymatic Synthesis of Deoxyribonucleic Acid. Journal of Biological Chemistry. Т. 233, № 1. с. 163—170. doi:10.1016/s0021-9258(19)68048-8. ISSN 0021-9258. Процитовано 1 грудня 2021.
  6. ↑ Smith, Douglas W.; Schaller, Heinz E.; Bonhoeffer, Friedrich J. (1970-05). DNA Synthesis in vitro. Nature (англ.). Т. 226, № 5247. с. 711—713. doi:10.1038/226711a0. ISSN 1476-4687. Архів оригіналу за 1 грудня 2021. Процитовано 1 грудня 2021.
  7. ↑ De Lucia, Paula; Cairns, John (1969-12). Isolation of an E. coli Strain with a Mutation affecting DNA Polymerase. Nature (англ.). Т. 224, № 5225. с. 1164—1166. doi:10.1038/2241164a0. ISSN 1476-4687. Архів оригіналу за 1 грудня 2021. Процитовано 1 грудня 2021.
  8. ↑ Kornberg, Thomas; Gefter, Malcolm L. (1 квітня 1971). Purification and DNA Synthesis in Cell-Free Extracts: Properties of DNA Polymerase II. Proceedings of the National Academy of Sciences (англ.). Т. 68, № 4. с. 761—764. doi:10.1073/pnas.68.4.761. ISSN 0027-8424. PMC 389037. PMID 4927672. Архів оригіналу за 1 грудня 2021. Процитовано 1 грудня 2021.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  9. ↑ Сиволоб, А.В. (2008). Молекулярна біологія (українська) . Київ: Видавничо-поліграфічний центр "Київський університет". с. 384. ISBN 978-966-439-068-9.
  10. ↑ Bebenek, Katarzyna; Kunkel, Thomas A. (1 січня 2004). Functions of DNA Polymerases. Advances in Protein Chemistry (англ.). Т. 69. Academic Press. с. 137—165. doi:10.1016/s0065-3233(04)69005-x. Архів оригіналу за 23 вересня 2012. Процитовано 1 грудня 2021.
  11. ↑ Wickner, Sue; Hurwitz, Jerard (1 жовтня 1974). Conversion of ϕX174 Viral DNA to Double-Stranded Form by Purified Escherichia coli Proteins. Proceedings of the National Academy of Sciences (англ.). Т. 71, № 10. с. 4120—4124. doi:10.1073/pnas.71.10.4120. ISSN 0027-8424. PMC 434340. PMID 4610569. Архів оригіналу за 1 грудня 2021. Процитовано 1 грудня 2021.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  12. ↑ Bonner, C. A.; Stukenberg, P. T.; Rajagopalan, M.; Eritja, R.; O'Donnell, M.; McEntee, K.; Echols, H.; Goodman, M. F. (5 червня 1992). Processive DNA synthesis by DNA polymerase II mediated by DNA polymerase III accessory proteins. Journal of Biological Chemistry (English) . Т. 267, № 16. с. 11431—11438. doi:10.1016/S0021-9258(19)49928-6. ISSN 0021-9258. PMID 1534562. Процитовано 1 грудня 2021.
  13. ↑ Maki, Satoko; Hashimoto, Keiji; Ohara, Takeshi; Sugino, Akio (14 серпня 1998). DNA Polymerase II (ε) of Saccharomyces cerevisiaeDissociates from the DNA Template by Sensing Single-stranded DNA *. Journal of Biological Chemistry (English) . Т. 273, № 33. с. 21332—21341. doi:10.1074/jbc.273.33.21332. ISSN 0021-9258. PMID 9694894. Процитовано 1 грудня 2021.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  14. ↑ Beard, William A.; Wilson, Samuel H. (6 травня 2014). Structure and Mechanism of DNA Polymerase β. Biochemistry. Т. 53, № 17. с. 2768—2780. doi:10.1021/bi500139h. ISSN 0006-2960. PMC 4018062. PMID 24717170. Процитовано 1 грудня 2021.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  15. ↑ Wang, Feng; Yang, Wei (24 грудня 2009). Structural Insight Into Translesion Synthesis By DNA Pol II. Cell. Т. 139, № 7. с. 1279—1289. doi:10.1016/j.cell.2009.11.043. ISSN 0092-8674. PMC 3480344. PMID 20064374. Процитовано 1 грудня 2021.
  16. ↑ Yang, Linjing; Arora, Karunesh; Beard, William A.; Wilson, Samuel H.; Schlick, Tamar (14 липня 2004). Critical Role of Magnesium Ions in DNA Polymerase β's Closing and Active Site Assembly. Journal of the American Chemical Society. Т. 126, № 27. с. 8441—8453. doi:10.1021/ja049412o. ISSN 0002-7863. Процитовано 1 грудня 2021.